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橋梁參數識別
更新時間:2021-04-10 17:51
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參數識別屬於(yú)係統識別的一種。所謂(wèi)係統識(shí)別或係統辨別,通常是指根據觀測到的輸入輸出數據建立係統的數(shù)學模型,並要求各個數學模型按照一定準則,盡可能精確地反映係統的動態特性。有些情況下(xià),隻根據係統的輸出數據(jù)也能建立(lì)相應(yīng)的數學模型。所以,係統識別也就是實驗建模的過程。係統識別已遠遠(yuǎn)超過了工程和物理中的應用範疇。在(zài)其他學科,如生物學、醫學、氣象學、經濟學(xué)、人口學(xué)、生態學、社會學等領域中,,係統識別的方法得到(dào)了越來越廣泛的應用。目前,係統識別理論已成為一門獨立而成熟的學科。特別是近年來(lái)現代(dài)控製理論和計(jì)算機技術的發展,大大促進了係統識別理論的應用。如果係統的數學模型能用一定數量的參數來描述,即方程形式已經確知的情況下(xià),運用實驗(yàn)數據來估計其參數,那麽係統識別便成為參數識(shí)別,又稱為參數辨識或參數(shù)估計。

模態參數(shù)識別(bié),既可在(zài)頻域內進行,也可(kě)在時域內(nèi)進行。前者稱為(wéi)頻域法,後者稱(chēng)為時域法。頻(pín)域識別法主要是利用實測的頻(pín)率響應數據或曲線,並根據頻響函數的模態展開式,去求解係統的模態(tài)參數。這種識別法(fǎ)發展較早,特別是采用正弦慢掃描激振(zhèn)設備和機械阻抗測試及分析技術所獲得的頻響數(shù)據,比較穩定、可(kě)靠,因而(ér)識別精度也較高。其缺點是:試驗所需時間比較長,也不適宜用於現場測試和在線實時(shí)分析。

頻域識(shí)別法又稱曲線擬合法,即利用頻(pín)響函數(shù)的模態參數表達式,去擬合實測的頻響數據或曲線。若係統各階固有頻率相離(lí)較遠(yuǎn),且阻尼又較小,或(huò)在(zài)某(mǒu)一階固有頻率附近相鄰模態耦合較弱(重疊較小)的場合,均可采用單自由(yóu)度係統的理(lǐ)論與方法(fǎ)去進行(háng)曲線擬合;若相鄰模態耦合較強(重疊較多),則根采(cǎi)用多自(zì)由度係統的理論與方法去進行(háng)曲線擬合。前者稱為單模(mó)態曲線擬合法(“SDOF法(fǎ)”),即對每一個頻響函(hán)數的各(gè)階(jiē)模態參數采用逐個識(shí)別(bié)的方法,這種方法(fǎ)認(rèn)為在某(mǒu)一階模態頻率的附近,主要是這一(yī)階(jiē)的模態導納對頻(pín)響函數做貢獻,在估計模態參數時,用一理想的單自由(yóu)頻響函數去擬合實測的頻響函數(shù);後者稱為多模態曲線擬合法,或多自由度(dù)擬合法,簡稱“MDOF法”,它是對一段包含幾個峰(fēng)穀的實測頻響函(hán)數,用一理想的多自由度頻響函數去擬合。

時(shí)域(yù)識別法是一種較頻域(yù)識別法後發(fā)展起來的方法,但發展很快。自20世紀70 年代 IbrahimS.R提出“ITD”法起,各種(zhǒng)時域法不斷湧現,如(rú)最小二乘指數法(fǎ)、隨機減量法(fǎ)、多參考點複指數法、單位脈衝(chōng)響應(yīng)函數法、子空間識別法等。時域法主要是利用係統的脈衝響應(可由實測(cè)的頻響函數,經傅(fù)氏逆(nì)變換而求得),或僅僅利用實測的振動響應(即輸出(chū)數據、包括自由響應及隨(suí)機響應(yīng)),並根據權(quán)函數或(huò)自由(yóu)振動方程(chéng)的特征向量與模(mó)態參數之(zhī)間的(de)關係,以及時間序列模型與權函數之間的關係,去識別係統的模態參數。

與頻率法相比,時域識別法的(de)突出優點是可以隻使用實測(cè)的響應信號,無需FFT,因而可以在線分析,使(shǐ)用(yòng)設備簡單。當不使用脈衝響(xiǎng)應信號時,缺點也很明顯。由於(yú)不使(shǐ)用(yòng)平均技術,因而分析信號中包(bāo)含噪聲(shēng)幹擾,所識別的模態中除係統模(mó)態外,還包含(hán)噪聲模態。如何剔除噪聲模態,一直是時域法(fǎ)研究中的重要課題。人們已提出若(ruò)幹方法和對策,如采用模態置信因子或總(zǒng)體(tǐ)模態置信因子,模態形狀相關係數等判(pàn)斷是否為噪聲模態,采用增加測(cè)點數給噪聲以出口,采用逐步擴階最小二乘法確定模態有效階數等(děng)方法,都在一定程度(dù)上解(jiě)決了(le)模態(tài)定階問題。以下主要介紹頻(pín)域的峰值法( Peak-pickingmethod)和時域法的隨(suí)機子空間識別(Sto- chastic Subspace Identification,SSI)方法(fǎ)。

頻域的峰值法

峰值法最初是(shì)基於(yú)結構自振頻率在其(qí)頻率響應函數上會出現峰值,峰值的出現成為特征頻率的良好估計的原理。在隻有輸出的(de)環(huán)境振動測試中,頻(pín)響函數被輸出的自功率(lǜ)譜取代,功率譜可以(yǐ)由測得的加速度時程經離散傅立葉變(biàn)換得到。特征頻率僅由平均正則化(huà)了的功率譜密度曲線上的峰值來確定,故稱之為峰值法。功率譜密(mì)度是(shì)用離散(sàn)的傅立葉變(biàn)換(DFT)將實測的加速度數據轉換到頻域後直接求得。振型分量由傳遞函數在特征頻率(lǜ)處的值確定(dìng)。對於環境振動試驗,輸(shū)入未(wèi)知(zhī),因此傳遞函數(shù)並非響應與輸入的比值,而是所測響應相對於參考點響應的(de)比值。因此,每一傳遞函數相對於參考點就會給出一個(gè)振型分量。這裏假定共振(zhèn)時的動力響應(yīng)僅僅是由一種模態決定的,如(rú)模態可以很好地分離而(ér)且阻尼較低,這種假定是(shì)合適的。峰值法操(cāo)作簡單、識別速度(dù)快,在建築領域經常使(shǐ)用。但是它(tā)有容易受(shòu)主(zhǔ)觀因素影響,得到的是工作撓曲(qǔ)形狀而不是振型,僅限於實模態和比例阻尼(ní)結構,阻尼的估計結果可信度不高等缺點,不容易滿足現(xiàn)場自動識別模態參數的需要。

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